劉 輝，李慧敏

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子質(zhì)心和幾何中心線不重合所導(dǎo)致的一種故障狀態(tài)，全自動平衡機(jī)通過在轉(zhuǎn)子的特定位置做加重或去重操作，使得轉(zhuǎn)子質(zhì)心盡可能與旋轉(zhuǎn)軸重合，從而減少轉(zhuǎn)子不平衡量。目前，市售全自動平衡機(jī)主要采用 “PLC+觸摸屏+若干單片機(jī)”架構(gòu)[1]，這種架構(gòu)的全自動平衡機(jī)以PLC作為主控器，若干單片機(jī)進(jìn)行測控去重，PLC和單片機(jī)通過485總線相互通訊協(xié)調(diào)，但對于平衡過程中的產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子不平衡量等相關(guān)信息并未進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析。為了適應(yīng)生產(chǎn)管理和控制的需要，將全自動平衡機(jī)與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)工廠管理遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求日漸顯現(xiàn)[2]；隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線通訊和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，利用無線技術(shù)實時地將平衡機(jī)工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至公司指定服務(wù)器從而進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，也是未來全自動平衡機(jī)的發(fā)展趨勢。

在此，在現(xiàn)有四工位全自動平衡機(jī)的架構(gòu)基礎(chǔ)上搭建實驗平臺，使用GPRS模塊并設(shè)計了一種智能型四工位全自動平衡機(jī)的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前處于在研階段。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

文中所設(shè)計的主控系統(tǒng)基于四工位平衡機(jī)，這4個工位分別為待機(jī)工位、初測工位、去重工位和復(fù)測工位。其中，待機(jī)工位負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的抓??；初測和復(fù)測工位是獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)不平衡量的測量；去重工位根據(jù)初測工位測得的結(jié)果進(jìn)行去重。該四工位平衡機(jī)為 “主控器+若干單片機(jī)系統(tǒng)+GPRS模塊”架構(gòu)，主控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理以及調(diào)度多個單片機(jī)進(jìn)行多機(jī)通訊。系統(tǒng)的總體設(shè)計原理如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理Fig.1 System overall design schematic

STM32作為整個系統(tǒng)的主控器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制各個模塊。觸摸屏用于人機(jī)交互，可以查看當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以修改系統(tǒng)參數(shù)，STM32通過FSMC（靈活靜態(tài)存儲控制器）接口進(jìn)行控制。蜂鳴器用于現(xiàn)場報警，當(dāng)平衡機(jī)去重效果不佳或系統(tǒng)運(yùn)行異常時報警提醒現(xiàn)場人員及時處理。無線傳輸模塊使用SIM800A，負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器和發(fā)送報警短信[3]，STM32通過AT指令控制。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 System network topology

圖中，主控器通過TCP與服務(wù)器建立連接，將平衡結(jié)束轉(zhuǎn)子的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。平衡機(jī)故障時系統(tǒng)發(fā)送短信給用戶，用戶可通過固定格式的短信對平衡機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，故障也會上傳至服務(wù)器，用戶也可通過上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)包來進(jìn)行控制，現(xiàn)場操作人員也可以通過觸摸屏來對平衡機(jī)進(jìn)行操作。

2 硬件實驗平臺搭建

文中所搭建四工位全自動平衡機(jī)的硬件平臺以模擬平衡機(jī)的工作過程，主要采用“STM32+觸摸屏+8052從機(jī)+GPRS模塊”結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

主控器選用STM32F103ZET6負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度和數(shù)據(jù)處理；初測工位和復(fù)測工位選用AT89C52作為其控制器。AT89C52內(nèi)含8 kB Flash和256 B RAM，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，在電子行業(yè)有著廣泛應(yīng)用；能夠滿足本系統(tǒng)對于初測工位和復(fù)測工位的性能需求。

主控器STM32與初測單片機(jī)和復(fù)測單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這涉及到一主多從的通訊問題，在此選用RS-485總線連接。STM32和AT89C52單片機(jī)的通訊方式為基于TTL的全雙工，文中將其改為RS485的半雙工方式，主控器STM32和從機(jī)AT89C52均采用美信公司的MAX485芯片[4]。多機(jī)通訊電路原理如圖3所示。

圖3 多機(jī)通訊原理Fig.3 Multi-machine communication schematic

將RE和DE引腳連接至1個I/O口，通過該I/O口控制其收發(fā)，RX和TX為收發(fā)信道。其中120 Ω電阻為匹配電阻，其作用是使傳輸過程中電纜的阻抗連續(xù)，保證RS-485總線的穩(wěn)定性。

由于系統(tǒng)需要定時將一些狀態(tài)信息和平衡轉(zhuǎn)子的信息上傳至服務(wù)器，因此無線傳輸模塊需要具有聯(lián)網(wǎng)功能。文中采用SIM800A物聯(lián)模塊實現(xiàn)無線傳輸功能，其硬件原理如圖4所示。SIM800A功能完善，適用于需要語音/短信/GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)的各種領(lǐng)域，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高，能滿足多種需求，正越來越多地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，拓展的AT指令便于用戶進(jìn)行操作。STM32的串口3與SIM800A串口引腳相連，并給與5 V/1 A穩(wěn)定供電。

圖4 GPRS模塊引腳Fig.4 GPRS module pin

3 軟件設(shè)計

文中所設(shè)計的智能型四工位平衡機(jī)主控系統(tǒng)，在Keil MDK ARM集成開發(fā)環(huán)境下采用C語言進(jìn)行開發(fā)。四工位平衡機(jī)的主控系統(tǒng)較為復(fù)雜，在此僅介紹其中關(guān)鍵的3個部分，即主程序設(shè)計、多機(jī)通訊協(xié)議設(shè)計、GPRS數(shù)據(jù)上傳設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

由于本系統(tǒng)較為復(fù)雜，為提高系統(tǒng)的實時性，在程序中加入μC/OS-II實時操作系統(tǒng)。開源嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II的優(yōu)勢是可裁剪、多任務(wù)、搶占式和實時性，適合嵌入式開發(fā)。主程序流程如圖5所示。先進(jìn)行時鐘配置并進(jìn)行硬件初始化，隨后調(diào)用μC/OS-II中的OSTaskCreate（）函數(shù)創(chuàng)建起始任務(wù)，在起始任務(wù)中分別創(chuàng)建主任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)、數(shù)據(jù)上傳任務(wù)和看門狗任務(wù)，分配各個任務(wù)優(yōu)先級和堆棧，最后掛起起始任務(wù)，并啟動操作系統(tǒng)。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow

主任務(wù)是整個系統(tǒng)的核心部分，主要功能有進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和平衡質(zhì)量管理；系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)實時監(jiān)控平衡機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、GPRS連接狀態(tài)以及環(huán)境溫度。若GPRS斷開連接，則會掛起其它任務(wù)并重新連接，連接成功后恢復(fù)其它任務(wù)；數(shù)據(jù)上傳任務(wù)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)子平衡信息和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)上傳至服務(wù)器；看門狗任務(wù)通過計數(shù)復(fù)位次數(shù)來評估系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 機(jī)通訊協(xié)議設(shè)計

文中初測工位和復(fù)測工位均通過8052單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)振動信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動工作。而作為主控器的STM32需要通過與其通訊來交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主機(jī)和從機(jī)之間發(fā)送數(shù)據(jù)種類較多，制定出明確而合理的通訊協(xié)議非常關(guān)鍵。原則上多機(jī)通訊時采用通用開放的Modbus協(xié)議來傳遞數(shù)據(jù)，但考慮開發(fā)單片機(jī)的Modbus協(xié)議模塊的工作量較大，且協(xié)議執(zhí)行耗時長，故在參考了Modbus協(xié)議下，設(shè)計了基于RS485接口的多機(jī)自定義自由通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，數(shù)據(jù)幀定義見表1。其中，CRC16校驗用于驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏?zhǔn)確性。

多機(jī)通訊中主機(jī)和從機(jī)的流程如圖6所示。系統(tǒng)規(guī)定：主機(jī)STM32地址為0x01，初測工位單片機(jī)地址為0x02，復(fù)測工位單片機(jī)地址為0x03，轉(zhuǎn)向單片機(jī)地址為0x04。在系統(tǒng)中，只有主機(jī)（STM32）有主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求的權(quán)利，每個從機(jī)都有對應(yīng)的地址，主機(jī)發(fā)起請求后，所有從機(jī)通過解析收到的數(shù)據(jù)包中的目標(biāo)地址判斷是否發(fā)給本機(jī)，如果目標(biāo)地址是本機(jī)并且校驗碼無誤，則通過功能碼做出響應(yīng)，否則忽略該數(shù)據(jù)包。

表1 多機(jī)通訊數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Multicomputer communication data frame format

圖6 主機(jī)和從機(jī)流程Fig.6 Host and slave flow chart

3.3 數(shù)據(jù)上傳服務(wù)

數(shù)據(jù)上傳流程如圖7所示。先檢測SIM卡是否就位，然后進(jìn)行SIM800A模塊短信服務(wù)初始化和GPRS通信初始化，通過發(fā)送AT指令A(yù)T+CIPSTART=“TCP”，“IP 地址”，“端口號”來建立與服務(wù)器之間的TCP連接[5]。其間各初始化過程和連接過程最多進(jìn)行3次，超過3次后則將結(jié)果寫入后備寄存器再進(jìn)行，并掛起看門狗任務(wù)等待系統(tǒng)復(fù)位。

當(dāng)連接成功后，平衡機(jī)會定時將環(huán)境溫度和信號質(zhì)量上傳至服務(wù)器，每當(dāng)有一個轉(zhuǎn)子完成平衡，也會將其相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。為了便于服務(wù)器解析上傳數(shù)據(jù)的類型，需要對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式的設(shè)定。上傳的數(shù)據(jù)主要分為兩部分：

信號質(zhì)量和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)上傳間隔5 min一次，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為“STATUS：信號質(zhì)量；環(huán)境溫度”。

圖7 數(shù)據(jù)上傳流程Fig.7 Data upload flow chart

轉(zhuǎn)子狀態(tài)信息每當(dāng)一個轉(zhuǎn)子完成平衡之后，就將該轉(zhuǎn)子的一些平衡信息通過GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)上傳至服務(wù)器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為“ROTOR：轉(zhuǎn)子編號；狀態(tài)；初始不平衡量；初始不平衡相位；最終不平衡量；最終相位；平衡次數(shù)；每次去重結(jié)果”，其中每次去重結(jié)果的數(shù)據(jù)個數(shù)取決于平衡次數(shù)。此外，SIM32也會定時檢測收到的GPRS數(shù)據(jù)或短信，進(jìn)行解析并做相應(yīng)的操作。

本系統(tǒng)采用TCP連接，長時間不通信會斷開連接，因此系統(tǒng)會每過5 min向服務(wù)器發(fā)送內(nèi)容為“HT”的心跳包。

4 系統(tǒng)測試

在完成硬件實驗平臺的搭建以及程序的調(diào)試以后，進(jìn)行系統(tǒng)的測試。系統(tǒng)測試主要針對多機(jī)通訊及系統(tǒng)邏輯準(zhǔn)確性測試、GPRS數(shù)據(jù)上傳功能測試、用戶遠(yuǎn)程控制3個部分。

4.1 多機(jī)通訊及調(diào)度邏輯準(zhǔn)確性測試

所設(shè)計的四工位平衡機(jī)的主控系統(tǒng)，不涉及從機(jī)8052單片機(jī)系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子不平衡量的測控以及去重工作，因此多機(jī)通訊測試方法如下：

主控器生成1個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)體，并賦予編號，將該轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)發(fā)送給初測工位單片機(jī)，初測工位單片機(jī)判斷該轉(zhuǎn)子是否做過平衡，若是新轉(zhuǎn)子，則生成1個不平衡量值以及待切除不平衡量，否則僅生成1個不平衡量。主控器收到該數(shù)據(jù)包后將該轉(zhuǎn)子不平衡量減去待切除數(shù)值，再將其發(fā)送給復(fù)測工位，復(fù)測工位收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行是否合格的判斷（不平衡量是否小于最大允許不平衡量），并將結(jié)果發(fā)送給主控器。主控器根據(jù)復(fù)測結(jié)果判斷是否要進(jìn)一步去重平衡，若需要，則再將其發(fā)送給初測工位重復(fù)上述步驟，否則重新生成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)體進(jìn)行上述步驟。

測試中，最大允許不平衡量設(shè)置為25 mg，最多允許平衡次數(shù)設(shè)置為3，初測單片機(jī)生成的待切除不平衡量始終為當(dāng)前不平衡量的1/2。測試中通過軟件控制初測單片機(jī)中賦予的初始不平衡量，將最終平衡結(jié)果通過觸摸屏顯示出來并記錄，觸摸屏如圖8所示，測試結(jié)果見表2。

圖8 觸摸屏工作狀態(tài)Fig.8 Touch screen working state

表2 多機(jī)通訊功能測試結(jié)果Tab.2 Multicomputer communication function test result

由表可知，理論與實際的最終不平衡量相對誤差在3%以內(nèi)。說明485多機(jī)通訊協(xié)議以及整個系統(tǒng)調(diào)度邏輯沒有問題，滿足預(yù)期效果。

4.2 GPRS數(shù)據(jù)上傳功能測試

驗證數(shù)據(jù)上傳功能開啟系統(tǒng)和上位機(jī)，在上位機(jī)通過TCP/UDP Socket調(diào)試工具接收GPRS數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)如圖9所示。上位機(jī)每過10 s接收內(nèi)容為“HT”的心跳數(shù)據(jù)包來保證TCP連接，平衡機(jī)每過20 s發(fā)送環(huán)境溫度和信號質(zhì)量，內(nèi)容為“STATUS：信號質(zhì)量；環(huán)境溫度”每完成1個轉(zhuǎn)子的平衡，會接收到該轉(zhuǎn)子的平衡信息，信息內(nèi)容為“ROTOR：轉(zhuǎn)子編號；狀態(tài)；初始不平衡量；初始不平衡相位；最終不平衡量；最終相位；平衡次數(shù)；每次去重結(jié)果”。

圖9 數(shù)據(jù)上傳功能測試Fig.9 Data upload function test

4.3 最后測試遠(yuǎn)程控制

將報警觸發(fā)條件設(shè)置為環(huán)境溫度高于40℃時報警。通過加熱器將傳感器加熱至40℃，手機(jī)收到報警短信，如圖10所示；通過編輯短信內(nèi)容為“SET：EXIT SYSTEM”令平衡機(jī)退出工作狀態(tài)。之后，收到平衡機(jī)內(nèi)容為“EXIT SYSTEM-OK”的短信，平衡機(jī)退出工作狀態(tài)，符合要求。

圖10 遠(yuǎn)程控制測試Fig.10 Remote control test

5 結(jié)語

該系統(tǒng)針對目前全自動平衡機(jī)信息化程度較低以及未來工廠信息化的發(fā)展趨勢，將平衡機(jī)工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以GPRS數(shù)據(jù)的形式上傳至服務(wù)器，管理人員能夠?qū)崟r監(jiān)控工廠中平衡機(jī)的工作狀態(tài)并在必要情況下支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和報警功能。該系統(tǒng)能夠與公司服務(wù)器進(jìn)行互聯(lián)，從而利于完成動平衡生產(chǎn)管理的一體化。